CN107527994B - 一种磁性隧道结双层侧墙及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁性隧道结双层侧墙及其形成方法，第一层侧墙是氮化硅，第二层侧墙是氧化铝或者氮化铝，形成方法包括如下步骤：S1.提供包括底电极、MTJ结构单元和钽顶电极的衬底；S2.在衬底上依次沉积氮化硅膜层和氧化硅膜层；S3.沉积一层有机物膜层；S4.对有机物膜层、氧化硅膜层和氮化硅膜层进行两步刻蚀，以留下侧壁的氮化硅膜层；S5.沉积一层氧化铝或者氮化铝，形成双层侧墙膜层；S6.填充电介质在剩余的间隙里；S7.磨平电介质直至钽顶电极；S8.在磨平的电介质之上再沉积两层电介质，刻蚀形成顶电极连接孔；S9.在钽顶电极内形成扩散终止层，铜或者钨填充顶电极连接孔，磨平填充物以形成顶电极连接通道。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁性隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)的制备方法，特别涉及一种磁性隧道结双层侧墙及其形成方法，属于集成电路制造技术领域。
背景技术
近年来，采用磁性隧道结(MTJ)的磁电阻效应的磁性随机存储器(MRAM，MagneticRadom Access Memory)被人们认为是未来的固态非易失性记忆体，它具有高速读写、大容量以及低能耗的特点。铁磁性MTJ通常为三明治结构，其中有磁性记忆层，它可以改变磁化方向以记录不同的数据；位于中间的绝缘的隧道势垒层；磁性参考层，位于隧道势垒层的另一侧，它的磁化方向不变。
为能在这种磁电阻元件中记录信息，建议使用基于自旋动量转移或称自旋转移矩(STT，Spin Transfer Torque)转换技术的写方法，这样的MRAM称为STT-MRAM。根据磁极化方向的不同，STT-MRAM又分为面内STT-MRAM和垂直STT-MRAM(即pSTT-MRAM)，后者有更好的性能。依此方法，即可通过向磁电阻元件提供自旋极化电流来反转磁性记忆层的磁化强度方向。此外，随着磁性记忆层的体积的缩减，写或转换操作需注入的自旋极化电流也越小。因此，这种写方法可同时实现器件微型化和降低电流。
同时，鉴于减小MTJ元件尺寸时所需的切换电流也会减小，所以在尺度方面pSTT-MRAM可以很好的与最先进的技术节点相契合。因此，期望是将pSTT-MRAM元件做成极小尺寸，并具有非常好的均匀性，以及把对MTJ磁性的影响减至最小，所采用的制备方法还可实现高良莠率、高精确读、高可靠写、低能耗，以及保持适于数据良好保存的温度系数。同时，非易失性记忆体中写操作是基于阻态变化，从而需要控制由此引起的对MTJ记忆器件寿命的破坏与缩短。
然而，制备一个小型MTJ元件可能会增加MTJ电阻的波动，使得pSTT-MRAM的写电压或电流也会随之有较大的波动，这样会损伤MRAM的性能。在现在的MRAM制造工艺中，重金属(比如Ta)会沉积在MTJ的顶部，作为顶电极导电通道，直接和顶电极连接孔(TEV)连接；电介质氧化硅会填充MTJ结构单元之间的空隙部分，以防止MRAM回路的短路。
在现有的技术条件下，一般采用顶电极连接孔(TEV)实现顶电极和位线之间的连接，然而在制备TEV的过程中一般采用碳氟气体(比如C4F8、CF4、CHF3或者CH2F2等)来进行刻蚀，这种气体很容易刻蚀或者损伤填充在MTJ和Ta顶电极周围的电介质，从而增加了MTJ结构单元和顶电极连接孔(TEV)之间漏电的风险。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种磁性隧道结双层侧墙及其形成方法。
本发明的第一方面，提供一种磁性隧道结双层侧墙，包括第一层侧墙和第二层侧墙，第一层侧墙是氮化硅(SiN)，第二层侧墙是氧化铝(Al2O3)或者氮化铝(AlN)，如图1所示。
本发明的第二方面，提供上述磁性隧道结双层侧墙的形成方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1：提供包括底电极、磁性隧道结结构单元和钽(Ta)顶电极的衬底。
步骤S2：在衬底上依次沉积氮化硅(SiN)膜层和氧化硅(SiO2)膜层。
优选地，氮化硅膜层的厚度为10nm～50nm，氧化硅膜层的厚度为2nm～5nm。
步骤S3：采用主要成分为CH3F/O2的气体在氧化硅膜层上沉积一层有机物膜层。
步骤S4：分别以CF4/O2或者CHF3/O2为主要成分的气体和以CH3F/C4F8/O2为主要成分的气体对有机物膜层、氧化硅膜层和氮化硅膜层进行两步刻蚀，以留下侧壁的氮化硅膜层，从而对磁性隧道结中的氧化镁(MgO)隧道结起到保护作用。
优选地，两步刻蚀中的第一步刻蚀添加Ar/He混合气体作为稀释气体，刻蚀压强为5mT～30mT；第二步刻蚀添加Ar或者He作为稀释气体，刻蚀压强为40mT～100mT。
步骤S5：沉积一层氧化铝或者氮化铝，形成双层侧墙膜层。
优选地，氧化铝或者氮化铝的厚度为20nm～100nm。
步骤S6：填充一层第一电介质在剩余的间隙里。
优选地，第一电介质为氧化硅或者氮化硅。
步骤S7：采用化学机械抛光方法(CMP，Chemical Mechanical Polish)磨平第一电介质直至钽顶电极。
步骤S8：在磨平的第一电介质之上再沉积第二电介质和第三电介质，图形化定义顶电极连接孔，对顶电极连接孔图形进行刻蚀，并最终停止在氧化铝或者氮化铝顶部，形成顶电极连接孔。
优选地，第二电介质为碳氮化硅(SiCN)或者氮化硅(SiN)，第二电介质的厚度为10nm～30nm，第二电介质作为刻蚀阻挡层和缓冲层。第三电介质为氧化硅，第三电介质的厚度为200nm～300nm。
优选地，使用光刻胶、电介质抗反射层、碳膜层的三层结构实现对顶电极连接孔的图形化定义。
优选地，选用主要成分为C4F8或者C4F6的气体对第三电介质进行刻蚀，选用主要成分为CF4、CHF3或者CH2F2的气体对第二电介质进行刻蚀。
步骤S9：在钽顶电极内形成一层扩散终止层，并采用铜或者钨填充顶电极连接孔；采用化学机械抛光的方法将填充后的顶电极连接孔磨平，以形成顶电极连接通道。
优选地，扩散终止层选用氮化钛或者氮化钽，扩散终止层的厚度为0.5nm～2nm，采用原子束沉积形成扩散终止层。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明在碳氟气体条件下，对顶电极连接孔(TEV)进行刻蚀时，第二层侧墙氧化铝(Al2O3)或者氮化铝(AlN)具有极低的刻蚀速率，能够有效的停止在氧化铝或者氮化铝顶部，保护了磁性隧道结结构单元，从而有效的降低了MRAM电路顶电极连接孔和磁性隧道结单元短路的风险。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一种磁性隧道结双层侧墙的结构示意图；
图2是本发明的一种磁性隧道结双层侧墙的形成方法的流程图；
图3是本发明一个较佳实施例中的包括底电极、MTJ单元和顶电极的衬底的示意图；
图4是本发明一个较佳实施例中的沉积SiN膜层后的示意图；
图5是本发明一个较佳实施例中的沉积氧化硅膜层后的示意图；
图6是本发明一个较佳实施例中的在氧化硅膜层上沉积一层有机物后的示意图；
图7是本发明一个较佳实施例中的采用两部刻蚀方法对有机物，氧化硅和氮化硅进行刻蚀留下氮化硅侧墙后的示意图；
图8是本发明一个较佳实施例中的沉积一层Al2O3或者AlN形成双层侧墙膜层后的示意图；
图9是本发明一个较佳实施例中的电介质填充剩余的间隙后的示意图；
图10是本发明一个较佳实施例中的采用化学机械抛光(CMP)磨平填充物直至Ta顶电极后的示意图；
图11是本发明一个较佳实施例中的顶电极连接孔形成之后的示意图；
图12是本发明一个较佳实施例中的顶电极连接孔填充之后的示意图。
图中所示：101-底电极，102-磁性隧道结结构单元，103-钽(Ta)顶电极，104-氮化硅膜层，105-氧化硅膜层，106-有机物膜层，107-氧化铝(或者氮化铝)膜层，108-第一电介质，201-第二电介质，202-第三电介质，203-扩散终止层，204-顶电极连接孔通道。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供的一种磁性隧道结双层侧墙及其形成方法，双层侧墙包括第一层侧墙SiN侧墙和第二层侧墙Al2O3(或者AlN)侧墙，如图1所示；具体包括以下步骤：
步骤S1：提供包括底电极101，磁性隧道结结构单元102和钽顶电极103的衬底，如图3所示；
步骤S2：在衬底上依次沉积氮化硅膜层104(如图4所示)和氧化硅膜层105(如图5所示)；
其中氮化硅膜层104的厚度为10nm～50nm，一般采用化学气相沉积，其反应剂含Si、N和H等；氧化硅膜层105的厚度为2nm～5nm，一般采用化学气相沉积，其反应剂含Si、H和O等；
步骤S3：采用CH3F/O2等气体在氧化硅膜层105上沉积有机物膜层106，如图6所示；采用没有偏压的刻蚀腔体进行沉积，所选气体为CH3F/O2等，作为优选，选用Ar(或者He)作为稀释气体；
步骤S4：采用两步刻蚀：CF4/O2(或者CHF3/O2)等和CH3F/C4F8/O2等气体对上述有机物膜层106、氧化硅膜层105和氮化硅膜层104三层膜进行刻蚀，以留下侧壁的氮化硅膜层104，从而对MTJ中的MgO隧道结起到了保护作用，如图7所示；
作为优选，第一步刻蚀添加Ar/He等气体作为稀释气体；刻蚀压强为5mT～30mT；
作为优选，第二步刻蚀添加Ar(或者He)作为稀释气体；刻蚀压强为40mT～100mT；
步骤S5：沉积一层氧化铝(或者氮化铝)107形成双层侧墙膜层，如图8所示；一般采用原子束沉积，其厚度为20nm～100nm；
步骤S6：填充一层第一电介质108在剩余的间隙里，如图9所示；电介质材料为氧化硅或者氮化硅，一般采用化学气相沉积的方法；
步骤S7：采用化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polish)磨平填充物直至钽(Ta)顶电极103，如图10所示。
步骤S8：在磨平的电介质之上再沉积两层电介质，图形化定义顶电极连接孔，对顶电极连接孔进行刻蚀，并最终停止在Al2O3或者AlN顶部，形成顶电极连接孔，如图11所示；
双层电介质具体为第二电介质201和第三电介质202，第二电介质201为刻蚀阻挡层和缓冲层；
作为优选，第二电介质201为SiCN或者SiN等，其厚度为10nm～30nm，可以采用化学气相沉积；生成SiCN电介质，其反应剂含Si、C、N和H等元素；生成SiN电介质，其反应剂含Si、N和H等元素；
作为优选，第三电介质202为氧化硅(SiO2)，其厚度为200nm～300nm，可以采用以下的一种或多种方法制成：a)化学气相沉积，采用的反应剂含Si、H和O；b)物理溅射沉积，使用Si靶或SiO2靶，溅射气体采用Ar或Ar+O2；c)离子束沉积，使用SiO2靶。
作为优选，使用光刻胶(PR，Photo Resist)、电介质抗反射层(DARC，DielectricAnti-Reflective Coating)和碳膜层的三层结构实现对顶电极连接孔(TEV)的图形化定义；
作为优选，选用C4F8或者C4F6等气体对第三电介质202进行刻蚀；
作为优选，选用CF4、CHF3或者CH2F2等气体对第二电介质201进行刻蚀，并停止在氧化铝(或者氮化铝)107上，最终形成顶电极连接孔。
步骤S9：在顶电极内形成一层扩散终止层203，采用铜或者钨填充连接孔并对其磨平，如图12所示。
扩散终止层可以选用氮化钛(TiN)或者氮化钽(TaN)，其厚度为0.5nm～2nm，一般采用原子束沉积；铜填充一般采用电镀的方式，一般先用PVD的方法生长一层铜种子层，然后再进行电镀(即：所谓的镶嵌(DAMASCENE)工艺)；钨填充可以使用钨靶，通过物理溅射或离子速的方式实现。
作为优选，采用化学机械抛光(CMP)的方法将填充后的顶电极连接孔磨平，以形成顶电极连接通道204，如图12所示。
本发明提供的一种磁性隧道结双层侧墙及其形成方法，在碳氟气体条件下对顶电极连接孔(TEV)进行刻蚀时，第二层侧墙Al2O3或者AlN具有极低的刻蚀速率，能够有效的停止在Al2O3或者AlN顶部，保护了MTJ结构单元，从而有效的降低了MRAM电路顶电极连接孔和MTJ单元短路的风险。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种磁性隧道结双层侧墙的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供包括底电极、磁性隧道结结构单元和钽顶电极的衬底；
步骤S2：在衬底上依次沉积氮化硅膜层和氧化硅膜层；
步骤S3：采用主要成分为CH3F/O2的气体在所述氧化硅膜层上沉积一层有机物膜层；
步骤S4：分别以CF4/O2或者CHF3/O2为主要成分的气体和以CH3F/C4F8/O2为主要成分的气体对所述有机物膜层、所述氧化硅膜层和所述氮化硅膜层进行两步刻蚀，以留下侧壁的氮化硅膜层，从而对磁性隧道结中的氧化镁隧道结起到保护作用；
步骤S5：沉积一层氧化铝或者氮化铝，形成双层侧墙膜层；
步骤S6：填充一层第一电介质在剩余的间隙里；
步骤S7：采用化学机械抛光方法磨平所述第一电介质直至所述钽顶电极；
步骤S8：在磨平的第一电介质之上再沉积第二电介质和第三电介质，图形化定义顶电极连接孔，对顶电极连接孔图形进行刻蚀，并最终停止在所述氧化铝或者所述氮化铝顶部，形成顶电极连接孔；
步骤S9：在所述钽顶电极内形成一层扩散终止层，并采用铜或者钨填充所述顶电极连接孔；采用化学机械抛光的方法将填充后的顶电极连接孔磨平，以形成顶电极连接通道。
2.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结双层侧墙的形成方法，其特征在于，所述氮化硅膜层的厚度为10nm～50nm，所述氧化硅膜层的厚度为2nm～5nm。
3.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结双层侧墙的形成方法，其特征在于，两步刻蚀中的第一步刻蚀添加Ar/He混合气体作为稀释气体，刻蚀压强为5mT～30mT；第二步刻蚀添加Ar或者He作为稀释气体，刻蚀压强为40mT～100mT。
4.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结双层侧墙的形成方法，其特征在于，所述氧化铝或者所述氮化铝的厚度为20nm～100nm。
5.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结双层侧墙的形成方法，其特征在于，所述第一电介质为氧化硅或者氮化硅。
6.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结双层侧墙的形成方法，其特征在于，所述第二电介质为碳氮化硅或者氮化硅，所述第二电介质的厚度为10nm～30nm，所述第二电介质作为刻蚀阻挡层和缓冲层；所述第三电介质为氧化硅，所述第三电介质的厚度为200nm～300nm。
7.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结双层侧墙的形成方法，其特征在于，使用光刻胶、电介质抗反射层、碳膜层的三层结构实现对所述顶电极连接孔的图形化定义。
8.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结双层侧墙的形成方法，其特征在于，选用主要成分为C4F8或者C4F6的气体对所述第三电介质进行刻蚀；选用主要成分为CF4、CHF3或者CH2F2的气体对所述第二电介质进行刻蚀。
9.根据权利要求1所述的一种磁性隧道结双层侧墙的形成方法，其特征在于，所述扩散终止层选用氮化钛或者氮化钽，所述扩散终止层的厚度为0.5nm～2nm，采用原子束沉积形成所述扩散终止层。
10.一种如权利要求1-9任一项所述形成方法制备的磁性隧道结双层侧墙，其特征在于，包括第一层侧墙和第二层侧墙，第一层侧墙是氮化硅，第二层侧墙是氧化铝或者氮化铝。
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